Güneş enerjisinden elektrik üretiminin en önemli avantajı dağın başında, yaylada, bağda, bahçede, küçük bir göletin üstünde veya devasa bir barajın kıyısında, karavanınızın, hatta “serçe” model arabanızın üstünde, balıkçı kayığınızda veya süper lüks teknenizde, uçağın kanatlarında, ormanın gözetleme kulesinin tepesinde, uzayın derinliklerinde, karada, havada, denizde, çatakta, batakta kısacası her yerde enerji üretebilmemiz. Bundan 4,6 milyar yıl önce dev bir moleküler bulutun çökmesi sonucu oluşmuş, “güneş” ya da “Solaris” isimi yıldızın etrafında dönen küçük sevimli gezegenimiz bu yıldızdan gelen foton zerreleriyle aydınlanıyor. Güneş isminin ilk hecesinden müsemma bize “gün” yaratıyor. Bundan 2700 yıl önce antik Mısır’da “gün” içinde dünyamızın aydınlatan bu yıldızı bir “tanrı, yaratıcı” olarak gören insanlar evlerini gün içinde ışınımı toplayacak ve gece kullanabilecek şekilde tasarladılar, Anadolu ve Yunanistan’da yerleşik Antik Yunanlılar evlerini güneşe yönelimli olarak inşa ettiler ve kışları daha az üşüdüler, dahi bilim insanı Arşimed’in güneş ışığını aynalar yardımıyla yansıtarak, Siraküza koloni devletine (İtalya’nın en ucu) ait donanmayı yaktığı söylenir, M.S. 1. Yüzyılda Romalılar Mika pencereleri kullanarak “heliocaminos” ismini verdikleri güneşle ısıtılan banyoları kullanmaya başladılar, ortaçağın karanlık dönemlerinde 14. Yüzyılda İtalya’da ilk “Solar Kanunları” açıklandı, 1767 yılında Rusya’da M.V. Lomonosov, güneş radyasyonunu konsantre etmek için lens kullanımını önerdi. 1830 Yılında J. Hershel ilk “solar ocak” ı icat etti ve güneş yardımıyla yemek pişirdi ve yine aynı yıl H. Repton isimli bilim insanı tarihteki ilk “cam” seraları kullanarak tarım yapmayı başlattı. Ve 1839 yılında Fransa’da 19 yaşındaki genç bir deney fizikçisi Alexandre-Edmund Becquerel, iki metal elektrottan oluşan elektrolitik hücrelerle deney yapan babasına yardım esnasında fotovoltaik etkiyi keşfetti. Sonrasını iyi kötü biliyoruz, sanayi devrimi, 20. Yüzyıl ve insanoğlunun sayısız keşfiyle dolu teknolojik gelişim zıplamaları.
Güneş Dünyamızı aydınlatıyor ve önümüzdeki 1,75 Milyar veya iyi ihtimal 3,25 Milyar yıl boyunca[1] canlı yaşamı sağlayacak şekilde aydınlatmaya devam edecek gibi görünüyor. Tür olarak o kadar süre var olup var olmayacağımız muamma olsa da Güneşten Elektrik üretimini bulmamızın avantajlarından yararlanmaya uzun süre devam edeceğiz gibi görünüyor. Nitekim bu konuda da ülkecek özellikle 2013 yılından itibaren fena olmayan bir gidişat sergilemeye devam ediyoruz. 2013-2019 yılları arasında çoğunlukla lisanssız yönetmeliğine uygun arazi üzeri fotovoltaik güneş enerjisi santrallerini bir şekilde kurduk, 2019 yılı mayıs ayından itibaren bu tarz santraller kurulmasına yönelik regülasyonlarda küçük bir reform yapıldı ve hedef olarak özellikle ÇATI’larımız gösterildi. Kendi elektrik ihtiyacınızı kendi çatılarımızda ya bina cephemizde, en kötü ihtimalle avlumuzda ya da hadi bilemedin su pompamızın (tüketici kaynağın) yanında, yöresinde olmak kaidesiyle tarlamızda güneş gören bir yerde tüketim ihtiyacımız kadar üretebilmeye yönelik özel bir teşvik mekanizması yaratıldı. Bu regülasyonun ya da yönetmeliğin ismi 12.05.2019 tarihli, 30772 sayılı Elektrik Piyasasında Lisanssız Elektrik Üretim Yönetmeliği[2]dir. Ülkemizin güneşten elektrik üretimini ve demokratik enerji üretim hakkını düzenleyen şimdilik en önemli düzenleme bu yönetmeliktir. “Lisanssız” deyince aklımıza lisans, belge alamadığımız ya da kaçak, göçek, yarım bir iş gelmesin, bildiğiniz birçok ruhsat alma işlemine benzer bir süreçle elde edebileceğiniz bir hak düzenlemesi bu yönetmelik. Bu arada sadece güneş enerjisinin kişisel üretimine yönelik değil, biyokütle, rüzgâr, hidroelektrik, doğalgaz gibi enerji kaynaklarıyla ilgili kişisel ilişkimizi düzenleyen bir yönetmelik. Ben bunu ve bundan önceki benzer isimli yönetmelikleri, Enerjinin demokratik üretimine ve kazanımına dayalı bugüne kadar atılmış en önemli adımlar olarak kabul ediyorum; tabi sorunlar, problemler müstesna.
Temiz ve Demokratik Enerji Hayaline Atılan Adımlar: Fosil Yakıtlı Termik Santrallere Veda
Rahmetli Babam 1982 yılında, ben daha doğmamışken o yılların en büyük enerji yatırımı olan Afşin-Elbistan termik santralinin 110 metre yüksekliğindeki kulelerinin tepesinde, Foster-Wheeler firmasına bağlı Elbistanlı bir kaynak işçisi olarak çalışmaya başlamış. İnsanoğlunun yaptığı muazzam yapılar arasında önemli bir yer işgal eden bu devasa Termik Santrallerinin en önemli örneklerinden birini inşa eden topluluğun bir mensubu olarak yaşamış ve termik santralin linyit kokulu su buharını ve tozunu, dumanını solumuş. Elbistan tozuyla, dumanıyla meşhur olmuş. Sonra bizler doğmuşuz ve bizlerde benzer bir hayatı yaşamışız.
2020 yılında babamın da inşasında yer aldığı o görkemli enerji üretim üssünün, çevreye ve insanlığa olan zararlarını anlayan ülkemiz, filtre takmadığı gerekçesiyle 1984 yılında devreye giren Elbistan Afşin “A” Termik santrali kapattı (2005 Yılında devreye giren nispeten yeni B Termik Santrali devam ediyor) ve bu devirler kısmen bitti. 45 Yıl önce inşasına başlanmış bu tesis ekonomik ömrünü tamamladı mı, aslında zaten kapatılacaktı da kamuoyu yaratılıp bu şekilde mi kapatıldı bilinmez, ama günümüzde insanlık bu tarz gösterişli fosil yakıt temelli tesislerden ziyade özerk enerji tesislerini kurarak, kendi elektriğini kendisi üretmeye bir hayli alışmaya başladı. Şimdilerde termik santrale yakın köylerde onlarca Fotovoltaik Güneş Enerjisi santralini görmek mümkün. Enerji tekellerinin gücü yadsınamaz bir gerçek; buna rağmen insanların temiz ve bedava enerji hayali için bu gibi örneklere benzer birçok olay yaşayacağımıza eminim.
Kızılötesi Işığın Enerjiye Dönüşümü
Biz 45 yıllık zaten kapanması gereken termik santralleri kapatmayı tartışaduralım teknoloji baş döndüren bir hızda ilerliyor. Temiz enerji teknolojileri en iyi alternatif olarak geleceğe yönelik elimizde tuttuğumuz bir garanti belgesi gibi adeta. Güneş Enerjisinden elektrik üretimine yönelik çalışmalarda mutluluk veren gelişmeler yaşanmaya devam ediyor. Güneş ışığından elektrik üretimi denince aklımıza ilk gelen şey, gözle gördüğümüz ve algıladığımız beyaz ışık. Az çok fizik derslerinden öğrendiğimiz ışık dediğimiz enerji türünün, görünür ve görünmez olarak adlandırılan türleri olduğu ve uzayda (dünyamızda uzayın bir parçası, mekânsal benliğimiz nedeniyle hep ayrı düşünürüz) kendine has bir hızda yayılan adeta bir dalga halinde olduğudur. Biz sadece gün içinde “Solaris’in” bizi aydınlatan beyaz ışıklarını görürken, dinlediğimiz radyodan tutunda, evde yemek ısıttığımız mikrodalga fırına, televizyon kumandamızla kanal değiştirmeye, röntgen ve tomografi çekimine kadar birçok yerde görünmez ışıklar mevcuttur. Radyo Dalgaları, Kızılötesi ışınlar, Mor ötesi (Ultraviyole) ışınlar, X ışınları ve Gama ışınları ışık türleri olup, enerjinin bir türevi olarak evrenimizde varlar ve insan algısının çok üzerinde teknolojilerle tespit edilebilir ve somutlaştırılabilirler.
2019 yılında bu konuda en ilgi çekici detaylardan biri gerçekleşti. İsveç kraliyet Teknoloji enstitüsünün yürüttüğü bir çalışmada, sıradan güneş gözelerinin (hücrelerinin) üzerine uygulanarak gözelerin kızılötesi ışığı kullanabilmesini ve bu yolla verimliliğin en az %10 artmasını sağlayan bir film geliştirildi.[3]Gözle görülmeyen bu kızılötesi ışık Dünya üzerine ulaşan güneş ışınımlarının yarısını oluşturuyor ancak sıradan güneş enerjisi sistemleri bu ışınımı güce dönüştüremiyor. Mikro merceklerin ışığı yoğunlaştırma becerisi sayesinde nano parçacıklar zayıf kızılötesi ışınımı güneş hücrelerinin faydalanabileceği görünür ışığa çevirebiliyorlar. Düşünebiliyor musunuz, uzaktan kumanda ışığı dediğimiz ışığın enerji olarak kullanılmasından bahsediyorum.
Konstantre Güneş’te Reform Hareketleri
Konstantre Güneş Işığına (CSP) yönelik teknolojiler maliyetler açısından fotovoltaik güneş enerjisi santralleriyle pek rekabet edebildiği söylenemez. Ayrıca yine eski tip konsantre güneş enerjisi santralleri (CSP) verimsizlikleri ile yüksek işletme maliyetleri nedeniyle kapanmaya başladığını gördüğümüz şu günlerde bazı sevindirici haberlerle karşılaşmaya başladım. Heliogen[4] isimli bir firma görüntü işleme, kontrol ve algılama teknolojileri yardımıyla bilgisayar kontrollü aynaların bir alana odaklanmasını sağlayarak daha kısa sürede daha yüksek sıcaklıklara ulaşılmasını sağlayan bir teknoloji geliştirmiş durumda. Normal CSP’ler 565 °C ulaşırken, ilgili firmanın teknolojisi 1000 °C üzeri sıcaklıklara çıkabiliyor. Bu tarz yatırımların daha hızlanması için gerçekten ciddi bir adım olan bu teknoloji sayesinde özellikle Çimento ve Çelik gibi endüstrilerin enerji üretimine yönelik sıfır emisyonlu önemli bir çözüm daha yaratılmış oldu. Bill Gates’in yatırım şirketinin bizzat desteklediği bir teknoloji olarak farklı bir soluk getirebileceğini düşünüyorum.
Breaking Solar: Perovskit’in Yükselişi
Konsantre Güneş teknolojisiyle, hücre teknolojisinde yaşanan bu güzel gelişmeleri ele aldıktan sonra Hücre üretimi konusunda bu aralar çok sıkça karşılaştığımız bir teknoloji perovskit yapılı hücre teknolojisini ele almak istiyorum. Öncelikle nedir bu perovskit? Yenilir mi, içilir mi? Bir kere “Oksijenli Su” olarak bildiğimiz Hidrojen Peroksit kelimesindeki Peroksit ile bu kelimeyi karıştırmayın lütfen, bu PEROVSKİT!
Perovskit ilk anlamı bakımından Kalsiyum Titanat (CaTiO3) kristal yapısına sahip bir kalsiyum, titanyum, oksit mineraline verilen isimdir. Ural dağlarında bir Gustav Rose isimli minerolog tarafından bulunan bu mineral, ünlü Rus mineraloğu Lev Perovski’nin ismiyle anılmıştır. Ayrıca bu isim ikinci anlamı olarak ilgili mineralin kimyasal yapısını barındıran kristal yapıdaki malzemeler olarak ifade ediliyor. Aslında Hücre teknolojisinde kullanılan Perovskit denilince anlamamız gereken budur; yani farklı kimyasal bileşikler kullanılarak ve tamamen insan eliyle yaratılmış bileşiklerden oluşan bir malzeme.
ABX3 yapısı olarak adlandırabileceğimiz bu yapıda dikkat ederseniz A ve B Bileşenleri katyonları (Elektron veren pozitif yüklü atom) X ise Anyonu (Elektron alan negatif yüklü atom genelde oksijen elementi olur bu) gösteriyor. Bu yapıya birçok katyon eklenebilir (A-B atomları diyelim) ve bu sayede çok sayıda mühendislik malzemesi elde edilmesini sağlar. Farklı tür Perovskitler termoelektrik, yalıtkan, yarı iletken, iletken, antiferromanyetik ve süper iletken uygulamalarında kullanılıyor.
Örneğin Perovskit yapıda en bilinenlerden biri Metil Amonyum Kurşun Halojen (CH3NH3PbX3); X burada halojen yani iyot, brom ya da klor katılarak tuz verebilen yapıdır. Formülümüzde X bir I,(iyot); Br (Brom) veya Cl (Klor) olabilir. Bu formülde halojeni “I3” yani “iyot” kullanılan hali hücre teknolojisinde yaygın denemesi yapılan bir ürün- haydi hep beraber okuyalım: Metil amonyum Kurşun triyodüd ? Biliyorum hiçbirimiz Breaking Bad dizisinin meşhur Walter White, nam-ı diğer Heisenberg karakteri kadar kimya bilimiyle haşır neşir değiliz; ama Perovskitin bir malzeme ve kimya mühendisliği harikası olduğunu anlayalım yeter ve bu tarz malzemelerin üretimi için perovskiti oluşturan bileşenler katı haldeyken, yüksek sıcaklıkta karıştırılma yapıldığını bilin yeter. Hoş aramızdan bir “Breaking Solar” fenomeni çıkar da bize mucizeler yaratırsa ayrıca çok mutlu oluruz.
Metal (Kurşun-Kalay vb.içeren) Halojen Perovskitler güneş hücresi teknolojisinde yeni bir teknoloji. Güneş hücreleri bildiğimiz üzere silisyumun yüksek sıcaklıklarda kararlı yapısı, sertliği ve yüzeyinin pasifleştirme kolaylıkları nedeniyle fotovoltaik uygulamalarda vazgeçilemeyen; ama çok aşamalı ve zor bir üretim prosesi olan, işlenmesi için yüksek sıcaklık ve dolayısıyla çok fazla enerji gerektiren, aynı zamanda verimlilik limitlerini zorlayan haliyle artık alternatifleri araştırılan bir malzeme. İşte bu araştırmalar son 10 yılda Perovskit sayesinde önemli gelişmeler kaydetmiş durumda. 2009 yılında %4 gibi düşük verimliliklerle Fotovoltaik sektörüne giren bu malzeme, 2013 yılında %15 ve 2019 yılında ise %25 seviyelerinin üzerine çıkarak yükselişini sürdürmekte.
Şimdi bu Perovskit bir bileşen olduğu için bileşen oranlarını istediğiniz gibi değiştirebiliyorsunuz ve bu sayede enerji bant aralığını ayarlayabiliyorsunuz. Yani iki farklı enerji bant aralığına sahip perovskit malzeme üretip bu katmanları bir nevi üst üste koyuyorsunuz, katmanlaştırıyorsunuz. İşte bunun ismi “tandem”. Tandem Hücreler verimliliği arttırmada muazzam bir yöntem ve perovskitler bunun için biçilmiş bir kaftan. Bir kere üretim için kullanılabilecek hammaddeler ucuz ve üretim yöntemleri daha az maliyetli, Perovskit hücrelerin Işığı soğurma yani emme katsayısı yüksek, görünür ışık tayfının tamamını soğurabiliyor, ince, hafif ve esnek yapısıyla araştırmacıların son yıllarda baş tacı. Böyle önemli bir malzemenin bugüne kadar yaygınlaşamamasının nedeni ne diye soracaksınız? Laboratuvar dışında istenilen verim ve dayanıklılığa ulaşamaması tabi ki. Açık havada bozunumlarının çok hızlı olması.
Yakın zamanda yapılan ve yayınlanan bir araştırmaya göre özel (Kalay içeriği %50’nin altında olacak şekilde) Kalay-Kurşun metal Perovskit hücreleri, 85 °C sıcaklıkta 1000 saat boyunca, muhafazasız olarak güneşe maruz bırakılmasına rağmen ilk verimliliklerini %95 oranında korumayı başarıyor, aynı şekilde muhafazalı olarak 85 °C sıcaklıkta ve %85 bağıl nem oranında ise 1000 saat güneşe maruz kalmaları verimliliklerinde hiçbir değişime yol açmıyor. Malzemenin temel özelliği aslında perovskit hücreler açısından yaygınca kullanılan kalay bazlı teknoloji olmasına rağmen daha önceki denemelerde havayla temas malzemenin bozunumu ve oksitlenmesine yol açıyor, ısı, ışık ve havaya maruz kalan hücreler kısa zamanda verimliliklerini yitiriyordu. Bu teknikte ise araştırmacılar indiyum kalay oksit ve kalay-kurşun perovskitleri transfer katmanında kullanıyorlar ve bu başarısızlığın sonunu getiriyorlar. Oksitlenmesini (paslanmasını) önlemek için büyük tanecikli ve iyi istiflenmiş bir perovskit yapısı oluşturan araştırmacılar oksijen girişini ve dolayısıyla pas sorununu çözmüş durumdalar.[5] Çevresel faktörlere bu denli dayanıma ve kararlılığa sahip bu denli bir malzemenin yaratılması fotovoltaik teknolojilerinde önemli, çığır açıcı bir gelişme olarak değerlendirilebilir. Bundan sonra kalay-kurşun üretim proseslerinin optimizasyonu yapılarak güneş hücrelerinin ömrü ve verimliliği daha da artacak, daha ucuz ve daha verimli teknolojilerin önü açılacaktır.
Aşağıda NREL (ABD Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı)’nın hücre verimlilik[6] tablosundan da görüldüğü üzere Perovskit hücreler muazzam bir hızda sektördeki yerini almaya başladı bile. Bu tablo neredeyse bütün fotovoltaik hücre verimliliklerini sunabilen bir tablo ve Oxford PV kurumunun Perovskite/Si tandem (Silisyumla beraber kullanılan Perovskit) özellikli hücrelerle %28 verimliliklere ulaştığını görüyoruz. Standford/ASU organizasyonlarının da sadece perovskit yapı temelli hücrelerde %25,2’lere ulaştığını rahatlıkla tespit edebilirsiniz.
Birçok
hücre üretim tekniği içinde perovskite yönelik denemeler mevcut ve ilk etapta
silisyum temelli hücrelere rakip olmak yerine ince bir kristal katman olarak
standart güneş hücresine eklenmesi gibi hususlarda konuşulan konular arasında.
Sonuç itibariyle Yakın zamanda fotovoltaik sektörü büyük yeniliklere gebe. Ve
Perovskit yapı temelli, malzeme ve kimya mühendisliği bunu inanılmaz derecede
hızlandıracak. Düşünsenize evinizde 3 boyutlu yazıcınızla perovskit yapıya
sahip hücrelerle kendi yüksek verimli güneş panelinizi üretip, istediğiniz
yerde, istediğiniz şekilde enerjinizi üretebileceğiniz bir dünya sadece birkaç
yıl, hatta sürpriz olabilir birkaç ay ötede. Ürettiğiniz enerji sadece size ait
size özgü ve sınırsız. Ne bir fabrikaya ihtiyacınız var ne de tekelci şebeke
noktalarına. Bunların garip ve sezgi karşıtı fikirler olduğunu biliyorum; ama
emin olun şu an yaşadığımız dünyada çok uzak şeyler değil. Özgür Enerjiye
merhaba demenin vakti geldi de geçiyor bile.
[1] http://www.bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/dunyadaki-yasamin-175-milyar-yil-omru-kaldi
[2] https://www.epdk.org.tr/Detay/Icerik/23-2-3/mevzuat
[3] Bilim Teknik Dergisi, Sayı 626. Sayfa 17
[5] https://devicematerialscommunity.nature.com/users/322779-rohit-prasanna/posts/54961-low-band-gap-perovskites-for-solar-cells-with-thermal-atmospheric-and-operational-stability
